1.理解能量守恒定律,知道能量守恒定律是自然界普遍遵循的基本規(guī)律。(物理觀念)2.會(huì)用能量守恒定律分析解決有關(guān)問(wèn)題。(科學(xué)思維)3.知道什么是第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)及其不可能制成的原因。(物理觀念)
基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過(guò)關(guān)
重難探究·能力素養(yǎng)全提升
學(xué)以致用·隨堂檢測(cè)全達(dá)標(biāo)
一、能量守恒定律1.內(nèi)容:能量既不會(huì)憑空　　　　,也不會(huì)憑空　　　　,它只能從一種形式　　　　為其他形式,或者從一個(gè)物體　　　　到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中,能量的　　　　保持不變。?2.意義(1)各種形式的能可以相互　　　　。?(2)各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象可以用　　　　　　定律聯(lián)系在一起。?
二、永動(dòng)機(jī)不可能制成1.永動(dòng)機(jī):不需要任何動(dòng)力或燃料,卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)器。2.永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因:違背了　　　　　　定律。?3.意義:正是歷史上設(shè)計(jì)永動(dòng)機(jī)的　　　　,才使后人的思考走上了正確的道路。?
情境鏈接有一種所謂的“全自動(dòng)”機(jī)械手表,既不需要上發(fā)條,也不用任何電源,卻能不停地走下去。這是不是一種永動(dòng)機(jī)?如果不是,你知道維持表針走動(dòng)的能量是從哪兒來(lái)的嗎?
提示 不是永動(dòng)機(jī)。手表戴在手上,手運(yùn)動(dòng)的能量一部分轉(zhuǎn)化為手表的能量。
教材拓展閱讀教材P57思考與討論,想一想所有關(guān)于永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)都失敗了,這給我們什么樣的啟示?
提示 人類(lèi)利用和改造自然時(shí),必須遵循自然規(guī)律,永動(dòng)機(jī)的失敗促成了能量守恒定律的建立。
易錯(cuò)辨析(1)某個(gè)物體的能量減少,必然有其他物體的能量增加。(　　)(2)能量既可以轉(zhuǎn)移又可以轉(zhuǎn)化,故能量的總量是可以變化的。(　　)(3)違背能量守恒定律的過(guò)程是不可能發(fā)生的。(　　)(4)永動(dòng)機(jī)不能制成是技術(shù)還不夠成熟。(　　)
提示能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中,能量的總量保持不變。
提示永動(dòng)機(jī)不能制成是因?yàn)槠溥`反了能量守恒定律。
探究點(diǎn)一　能量守恒定律
某輕質(zhì)細(xì)繩一端固定在天花板上,另一端系一質(zhì)量為m的小球,如圖所示。使小球在豎直平面內(nèi)擺動(dòng),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,小球停止擺動(dòng),試分析小球擺動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化情況。
要點(diǎn)提示 小球擺動(dòng)過(guò)程中,重力勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化的同時(shí),機(jī)械能不斷地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
1.能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能量:機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能,分子的熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能,還有諸如電磁能、化學(xué)能、原子能等。各種形式的能量,通過(guò)做功可以相互轉(zhuǎn)化,例如:利用電爐取暖或燒水,電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;煤燃燒,化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;列車(chē)剎車(chē)后,輪子溫度升高,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2.守恒條件與某種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的能量是否守恒是有條件的,例如:物體的機(jī)械能守恒,必須是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)彈力做功;而能量守恒定律是沒(méi)有條件的,它是一切自然現(xiàn)象都遵循的基本規(guī)律。
3.能量守恒定律的重要意義(1)找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度——能量,從而把各種自然現(xiàn)象用能量規(guī)律聯(lián)系起來(lái),揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。(2)突破了人們關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械觀念的范圍,從本質(zhì)上表明了各種運(yùn)動(dòng)形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性。能量守恒定律比機(jī)械能守恒定律更普遍,它是物理學(xué)中解決問(wèn)題的重要思維方法。(3)具有重大實(shí)踐意義,即徹底粉碎了永動(dòng)機(jī)的幻想。特別提示　能量守恒定律是自然界中普遍適用的規(guī)律,凡是遇到涉及能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移問(wèn)題時(shí)可優(yōu)先考慮使用其解決。
4.熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律的關(guān)系熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W中,熱傳遞的過(guò)程是能量的轉(zhuǎn)移,一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移出多少熱量,另一個(gè)系統(tǒng)就收獲多少熱量,總和不變。做功的過(guò)程是機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,外界對(duì)系統(tǒng)做了多少功,就消耗了多少機(jī)械能,同時(shí)系統(tǒng)也就增加了多少內(nèi)能,能量是守恒的?？傊?熱力學(xué)第一定律其實(shí)就是能量守恒定律在熱學(xué)中的體現(xiàn)。
【例1】 如圖所示,密閉絕熱容器內(nèi)有一絕熱的具有一定質(zhì)量的活塞,活塞的上部封閉著氣體,下部為真空,活塞與器壁間的摩擦忽略不計(jì)。置于真空中的輕彈簧一端固定于容器的底部,另一端固定在活塞上,彈簧被壓縮后用繩拉緊,此時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能為Ep(彈簧處在自然長(zhǎng)度時(shí)的彈性勢(shì)能為零)?，F(xiàn)繩突然斷開(kāi),彈簧推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止,氣體達(dá)到平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)此過(guò)程(　　)A.Ep全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能B.Ep一部分轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢(shì)能,其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能C.Ep全部轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢(shì)能和氣體的內(nèi)能D.Ep一部分轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢(shì)能,一部分轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能,其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能
解析 當(dāng)繩子突然斷開(kāi)時(shí),活塞受彈簧的彈力F、活塞的重力G、封閉氣體對(duì)活塞向下的壓力F'共同作用,其合力向上,經(jīng)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止時(shí),活塞處于三力平衡狀態(tài),氣體體積必減小,外力對(duì)氣體做正功,由于容器絕熱,氣體的內(nèi)能增加,而活塞最終的靜止位置比初始位置高,其重力勢(shì)能增加,最終彈力與另外兩個(gè)力的合力平衡,彈簧仍有形變。設(shè)最終彈簧的彈性勢(shì)能為Ep',由能量守恒定律得Ep=Ep'+活塞增加的重力勢(shì)能+氣體增加的內(nèi)能,所以D選項(xiàng)正確。
1.如圖所示,一個(gè)質(zhì)量為20 kg的絕熱汽缸豎直放置,絕熱活塞的質(zhì)量為5 kg,處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)被封閉氣體的高度為50 cm,現(xiàn)在在活塞上方加質(zhì)量為15 kg的物體,待穩(wěn)定后,被封閉氣體的高度變?yōu)?0 cm。g取10 m/s2,忽略大氣壓力及摩擦阻力的影響。求在這一過(guò)程中氣體增加的內(nèi)能。
答案 20 J解析 由能量守恒定律可知,內(nèi)能的增加等于活塞和物體重力勢(shì)能的減少, ΔU=ΔE=(m+m物)gh=(5+15)×10×(50-40)×10-2 J=20 J。
探究點(diǎn)二　永動(dòng)機(jī)不可能制成
有人設(shè)計(jì)了如圖所示的“浮力永動(dòng)機(jī)”,永動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)繩上均勻地固定了許多密度小于水的小球,容器底部的管道內(nèi)徑與小球直徑相等。設(shè)計(jì)者認(rèn)為,左邊容器里的小球受到浮力的作用向上運(yùn)動(dòng),管道中的小球也將被帶著向上運(yùn)動(dòng),一旦這個(gè)小球要上升離開(kāi)管道,下一個(gè)小球就會(huì)進(jìn)入管道而不使水漏出,因此永動(dòng)機(jī)將永不休止地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。你認(rèn)為該“浮力永動(dòng)機(jī)”能否實(shí)現(xiàn)永動(dòng)?為什么?
要點(diǎn)提示 由能量守恒定律可知是不可能的。在此裝置中容器最下部的球所受水的壓力大,且大于容器中其他球所受的浮力之和,故無(wú)法自動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)。
1.第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)人們把設(shè)想中的不需要任何動(dòng)力或燃料,卻能不斷地對(duì)外做功的機(jī)械叫作第一類(lèi)永動(dòng)機(jī),第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。2.第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)失敗的原因分析如果沒(méi)有外界供給能量,則有U2-U1=W,就是說(shuō),如果系統(tǒng)內(nèi)能減少,即U2

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3 能量守恒定律

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